Zigbee技術特點有哪些 Zigbee產品應用介紹【圖文】

　　什麼是無線網絡通信技術Zigbee

　　引言

　　對於嵌入式系統應用，往往需要相互間的通信，以交換測量數據和控制指令。目前採用的方式多是有線連接，包括點對點或總線方式，如RS485、CAN、Modbus等。隨著無線網絡通信技術的發展，在一些不便於或需要消除有線連接的場合，無線通信技術便有了它的用武之地。

　　目前，市場上已有多家公司推出應用於近距離通信的RF晶片產品，如工作在2.4GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chipcon)，工作在300~450MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式應用也採用了這類技術，但它們大部分只提供解決無線通信的射頻通道，沒有標準規範(或採用自己的專用標準)來制定MAC層、鏈路層和網絡層的通信協議，不具備兼容性;對通信的控制軟體完全依賴目標系統設計，由用戶自己完成，不僅額外增加了工作量，而且編制代碼的可靠性、效率都較低，對組網應用更可能存在問題;不同廠家的產品不具備互操作能力，不具有通用性。

　　Zigbee是一種近年來才興起的無線網絡通信技術標準。它出現的時間較短，2004年底才由Zigbee聯盟發布了1.0版本規範，尚未進入大規模的商業化生產和應用;但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了Zigbee聯盟對其產品所作的測試和兼容性驗證。預計從2006年開始，基於Zigbee的無線通信產品和應用會迅速得到普及和高速發展。

　　1 Zigbee技術及應用

　　1.1主要技術特點

　　Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現「無線」的溝通。人們藉此稱呼一種專注於低功耗、低成本、低複雜度、低速率的近程無線網絡通信技術，亦包含寓意。

　　Zigbee技術並不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層採用了IEEE802.15.4(無線個人區域網)協議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用會聚層和高層應用規範(API)由Zigbee聯盟進行了制定，整個協議架構如圖1所示。

　　Zigbee是以一個個獨立的工作節點為依託，通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡，因此，每個節點的功能並非都相同。為降低成本，系統中大部分的節點為子節點，從組網通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設備;而另外還有一些節點，負責與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備(也稱為協調器)，如圖2所示。

　　Zigbee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面：

　　①低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號乾電池可支持1個節點工作6~24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優勢。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。

　　②低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且Zigbee免協議專利費。

　　③低速率。Zigbee工作在20~250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

　　④近距離。傳輸範圍一般介於10～100m之間，在增加RF發射功率後，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　　⑤短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。

　　⑥高容量。Zigbee可採用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

　　⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及採用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

　　⑧免執照頻段。採用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　1.2Zigbee產品應用

　　Zigbee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。根據設想，它的應用目標主要是：工業控制(如自動控制設備、無線傳感器網絡)，醫護(如監視和傳感)，家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)，消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域。

　　一般而言，滿足如下一些特點的應用場合，是Zigbee應用極具優勢的地方：

　　①需要無線通信交換信息的低成本裝置;

　　②數據的交換量較小、傳輸的速率要求不高;

　　③功耗要求極低，採用電池供電且需要維持較長時間;

　　④需要多個(尤其是大量)設備組成無線通信網絡，主要進行監測和控制的場合。

　　依據Zigbee聯盟和參與聯盟的主要廠商的基本設想，產品應提供一站式的解決方案，以方便應用，使那些不熟悉RF技術的人員也能迅速上手。因此其產品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內置的協議棧將Zigbee的通信、組網等無線溝通方面的工作已完全由產品實現，用戶只需要根據協議提供的標準接口進行應用軟體編程。由於協議棧的簡化，完成Zigbee協議的內嵌處理器一般可採用低價低功耗的8位MCU。

　　Chipcon公司推出的高度整合的系統級射頻收發器CC2430，如圖3所示，集成了RF前端、128KB快閃記憶體、8KBRAM以及8051八位MCU核;另外還集成了模數轉換器(ADC)、定時器、AES128協同處理器、看門狗、32 kHz晶振休眠定時器、上電復位和掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。使這款產品就是一個具備Zigbee功能的SoC，可用於各種Zigbee無線網絡節點，包括協調器、路由器和終端設備等。

　　此外，不少廠商也推出了Zigbee的產品和全套解決方案。如Freescale公司發布的低功耗2.45GHz集成射頻器件MC13192，包含802.15.4物理層，支持星型和網狀網絡，並在一個配套的MCU上實現Zigbee的協議棧;傳輸速率為250kbps，採用正交QPSK調製和直接序列擴頻編碼，通過1個四線串行接口與MCU通信。Helicomm公司推出的IPLink1200 Zigbee開發工具和產品，包含符合802.15.4標準的2.4 GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、Zigbee網絡軟體和全波長天線，每次接力通信都能在75 m範圍內提供250 kbps的速率;支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在網狀或多次跳接(multihop)無線網絡內支持串行數據路由，速率最高可達38.4 kbps。

　　可以看出，一些國際著名的半導體廠商已在積極推出Zigbee產品，有望在今後一段時間通過商業化推進，使Zigbee產品應用得到極大擴展。但同時，也有一些RF廠商在發展自己的專有產品，如Zensys公司就積極推進它的ZWave無線協議，尤其在家庭自動化領域與其爭奪市場;另外，Dust公司堅持使用自己的技術;Ember公司雖然大舉進軍Zigbee領域，但也計劃繼續提供自己的專有EmberNet技術。可以說，Zigbee的應用並非一片坦途，需要Zigbee聯盟及廠商的持續努力和市場的廣泛認同。

　　2與其他幾種無線通信技術的比較

　　目前，市場上的近距離無線通信技術主要有無線區域網WiFi、藍牙和一些專用標準(如Adhoc網等)的產品。一些大公司為開拓市場和應用領域，也在積極研究和制定一些新的無線組網通信技術標準，如無線USB、超寬帶通信UWB和WiMax等。下面對這些技術作一些簡要介紹和比較。

　　藍牙技術發展從1999年起已經歷了多個年頭，一直受晶片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗幹擾能力差等問題的困擾。目前主要應用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領域，且互通性方面也存在問題。

　　WiFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速佔領市場;採用IEEE802.11b標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數據傳輸速率為11Mbps，並可根據信號強弱把傳輸率調整為5.5 Mbps、2 Mbps和1 Mbps帶寬;採用最新的802.11g時，速率可達54 Mbps，是目前應用最廣的無線網絡傳輸協議。

　　藉助USB在PC上的廣泛應用，無線USB也受Intel、HP、微軟等幾家PC領域大公司的力推，已於近期制定了無線USB規範。使用WiMedia聯盟的MBOFDM超寬帶MAC和PHY層，通信距離在3~10m，最高速率在480Mbps，有望短期內在PC周邊設備的無線連接上得到大量應用。

　　UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術。由於未採用通常無線收發中的載波調製技術，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉換模塊，實現了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術陣營競爭技術標準，預期的通信距離5~10m，速率甚至可高達1Gbps，非常適合於家用消費電子產品之間的大容量數據傳輸。

　　作為WiFi下一代技術的WiMax，被設想成一項無線城域網接入技術，在傳輸距離和速度方面均勝過WiFi，最高接入速率為70Mbps，信號傳輸半徑可達到50km。圖4是以上幾種無線通信技術的速率/距離比較。

　　從圖4中看，主要的無線技術都集中在1Mbps以上的速率，新的標準還在追求更快的速率;而Zigbee恰恰是填補低速率端無線通信技術的空缺，與其他標準在應用上幾乎無交叉。在實際應用環境中，低速率、低成本的無線通信在自動控制、無線傳感器網絡、家居自動化等諸多領域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場。從現今的市場看，每一種無線通信技術的產品都有各自的一些特點，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今後一段時間內，雖然會有一些競爭，但仍會有多種無線通信技術的產品在市場上共存。

　　結語

　　無線組網通信是當今工業控制、計算機應用、家庭自動化等方面技術發展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網絡要求令Zigbee應運而生;高度集成化的軟、硬體架構和產品，也使應用人員如虎添翼，更快、更方便地進行最終產品設計。這些顯示出Zigbee具有超強的生命力和優勢，應用前景十分看好，值得廣大嵌入式應用的技術人員關注，並加入到它的應用行列。